关于对电导率仪的温度补偿器进行计量检定问题的探讨

刘彦刚

2012/12/18

私聊

仪器检定/校准/计量

《计量技术》2012年第10期发表的文章：

杨继光¹顾家钰²刘朝阳³

（1、3.宁夏计量测试院，宁夏银川，750001；2、北京计量科学研究院，北京，100013）

摘要：论述了对电导率仪的温度补偿器进行计量检定的重要性，并对检定方法进行了探讨。

关键词：电导率仪，温度补偿器，计量检定。

0、引言
温度对电导率仪的测量影响很大^［¹^］，一般在电导率的测量中，为了保证测量的准确，要进行温度补偿，还要对温度系数进行设定。JJG376-2007《电导率仪》计量检定规程^［²^］，对温度系数的检定和温度传感器的检定作了规定，对温度补偿器的检定未作说明。随着科技的发展，国产及进口的电导率仪在设计上都有了温度补偿器的调节装置，这也是保证测量准确性的一个重要因素，所以对电导率仪的温度补偿器进行检定就显得非常重要了。
1、电导率仪的温度补偿
电导率仪中跟温度有关的器件有三个部分，它们分别是温度系数、温度补偿器和温度传感器。
（1）温度系数
当溶液的温度一定时，它的电导率随温度的升高而增加，在一般的测量中用下式计算被测介质在不同温度下的的电导率值，
Kt = K₂₅_℃[1+α(t-25)] （式1）
式中：Kt为某一温度下的电导率值，K₂₅_℃为25℃时的电导率值，α为温度系数，t为被测溶液温度。
对大多数离子来讲，绝大部分溶液的温度系数在1.5﹪～3.0﹪之间，在这个范围内，它是呈线性变化的，如α值选择2％，既每增加1℃，电导率值就增加2％，则（式1）可以改写为：

Kt = K₂₅_℃[1+α(t-25)]＝K₂₅_℃[1+0.02（t-25）]＝K_25℃(0.5+0.02t) （式2）

电导率仪的生产厂家在电导率仪出厂时，一般都把温度系数设定为2%，但是有些离子的温度系数可达4%-6%，呈非线性变化。如果用现行的这种检定电导率仪的温度系数的检定方法对该仪器进行检定，很可能判别该仪器为不合格。好在这类仪器数量很少，大多是进口仪器用于特殊用途，如何对其仪器的温度系数进行检定，还有待于探讨。
我们就温度、温度系数和电阻、电导率之间的关系，作了试验和研究，并作成了表格，供大家参考。（见表1）
（2）温度补偿器
大多数电导率仪的温度补偿器作在面板上，是一个温度调节旋钮。温度调节范围一
般为（15-35）℃，也有做成（0-60）℃的仪器，分辨率为1℃。在电导率的测量中可以发现只要把温度补偿器的旋钮稍加转动，电导率值就发生变化，它的准确与否，对电导率的测量影响很大，所以必须对其进行计量检定。
（3）温度传感器
温度传感器是电导率仪附带的一个配件，测量精度大多为0.1℃，可以比较准确的测
量溶液的温度，它的检定方法在JJG376-2007中作了规定。
对电导率的测量来讲有两种方法，一种是温度补偿法，一种是温度不补偿法。温度补偿法，直观、快捷、对环境条件要求不高，所以大部分测量都是用温度补偿法。温度不补偿法不直观、费时、费力，对环境温度要求高，主要是对不了解溶液温度系数是多少的溶液用不补偿法测量。
表1 电导率仪温度补偿对照表（有两种方法）

	方法一（不补偿法）				方法二（补偿法）
温度系数	温度（℃）	仪器显示电导率值 (μs/cm)	标准器电阻值 (KΩ)	电导率值 (μs/cm)	仪器显示电导率值 (μs/cm)	补偿后电阻值 (KΩ)	补偿后电导率值 (μs/cm)
温度系数 1.5%	10	129.0	10	100	100	12.9	77.5
	15	117.6	10	100	100	11.76	85.0
	20	108.1	10	100	100	10.81	92.5
	25	100.0	10	100	100	10.00	100.0
	30	93.0	10	100	100	9.30	107.5
	35	86.9	10	100	100	8.69	115.0
	40	81.6	10	100	100	8.16	122.5
	45	76.9	10	100	100	7.69	130.0
温度系数 2.0%	10	142.8	10	100	100	14.28	70.02
	15	125.0	10	100	100	12.50	80.00
	20	111.1	10	100	100	11.11	90.00
	25	100.0	10	100	100	10.00	100.00
	30	90.9	10	100	100	9.09	110.01
	35	83.3	10	100	100	8.33	120.04
	40	76.9	10	100	100	7.69	130.03
	45	71.4	10	100	100	7.14	140.05
温度系数 2.5%	10	160.0	10	100	100	16.00	62.5
	15	133.3	10	100	100	13.33	75.01
	20	114.2	10	100	100	11.42	87.56
	25	100.0	10	100	100	10.00	100.00
	30	88.9	10	100	100	8.89	112.48
	35	80.0	10	100	100	8.00	125.00
	40	72.7	10	100	100	7.27	137.55
	45	66.7	10	100	100	6.67	149.92

2、电导率的测量过程与温度的关系

（1）电极常数的确定
电导电极常数的测定，要在25℃的条件下，测定两个不同浓度的电导率标准溶液，求出电极常数的平均值。杨继光就电极常数与测量温度的关系^［3］作了论述。电极常数测定后，把电极常数调到测量值。
（2）溶液温度的测量
带温度传感器的仪器可用温度传感器测量溶液温度。但温度传感器的检定比较麻烦，要在恒温水槽中进行。如现场检定，许多用户单位不具备恒温水槽的检定条件，无法按规程的要求进行检定。解决的方法是用一支经检定过的精密水银温度计，测量溶液的温度即可。市售的国产的电导率仪中，有些不带温度传感器的仪器，温度传感器的检定可按缺项进行。
（3）温度补偿器的调节
测量完溶液的温度后，如需要进行温度补偿时，把温度补偿器的旋钮调到25℃，如不需要进行温度补偿时，把温度补偿器的旋钮调到测量的温度点上。市售的国产的电导率仪大多带温度补偿器的功能，它是保证温度补偿和进行准确测量的重要的条件。
（4）温度系数的确定
一般把温度补偿系数调到2%/℃。由于确定了温度系数，启动了温度补偿，所以可在（15-35）℃的任一温度下对电导率进行测定。温度系数的设定和调节，在电导率仪这种电子单元模拟化的仪器，是设计在仪器的电路中的，在电路的设计和仪器的出厂检验，都给予了一定的保证。有些不带温度系数调节的仪器，温度系数的检定可按缺项进行。
通过以上几个步骤对电导率仪的测量参数进行了设定和调节，即可进行电导率的测量了。从以上电导率测量中各参数的设定过程来看，影响测量准确性的主要来源在于温度补偿器的准确与否，只有保证了温度补偿器的准确，才能进一步设定温度系数，才能保证正确的温度补偿，才能保证电导率测量的准确性。
3、温度补偿器的检定方法
杨继光^{［4］、［5］}、刘盾^［6］等人对电导率仪温度补偿器的检定方法，提出了自己的看法，国标GB/T11007-2008《电导率仪试验方法》^［7］中给出了温度补偿器的检定方法，是值得在电导率仪的检定规程中添加温度补偿器检定项目进行参考和借鉴的。根据以上的文章和标准给出的方法，归纳出以下具体的检定方法和过程是：
（1）设定电极常数为1.00。
（2）对于带有温度系数的仪器，把温度系数设定为2%/℃。
（3）把温度调节旋钮调到25℃。
（4）把量程开关调到200μs/cm档位上。
（5）把25℃下的测量点选定为100μs（标准电阻值为10 KΩ）。
（6）选择温度补偿器的测量点，一般选择3-5个点，如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。
（7）用以下（式3）分别计算出不同温度下的电阻值R_i。

式中：R_i—不同温度下的用（式3）计算出来的外接电阻值。
R₀--25℃下的标准电阻值（10 KΩ）。
α—温度系数（2%/℃）。
t_i—选择的温度补偿器的测量点。
（8）调节温度补偿器于不同的测量点，用标准电阻箱输入不同温度下用（式3）计算出来的R_i值。
（9）误差计算：测量三次，测量结果的平均值与标准电阻箱输入值之差，用该量程下的引用误差的计算公式计算误差。
以上方法经过了实验验证，是科学合理的，是符合标准规范的，比以往文章等介绍的方法更为全面和富有可操作性。
4、结束语
综上所述，电导率仪中温度补偿器的检定是保证用电导率仪进行准确测量的重要条件，是非常重要的一个检定项目，如不进行检定，对整个仪器来说，是不全面的，尤其对模拟量的仪器来说，由于长期使用，对元器件的磨损、老化，有的仪器已经不能达到仪器新出厂时的标准，急需计量部门检测和判断。建议电导率仪计量检定规程的制订者，在听取各方面的意见的基础上，尽快的对规程进行修订，添加温度补偿器的检定项目，以保证规程的完善和保证电导率仪测量的准确和可靠。

参考文献：

［1］方惠群，等.电化学分析［M］，北京：原子能出版社，1984
［2］JJG376-2007《电导率仪》［S］，北京：中国计量出版社，2008
［3］杨继光，等.电导电极常数的测定与温度的关系［J］，现代测量与实验室管理，2007，（3）：8-10
［4］杨继光，等.电导率仪现行计量检定规程中存在问题的探讨［J］，工业计量，2008，
增刊2：148-150
［5］杨继光，等.关于对JJG376-2007《电导率仪》计量检定规程的探讨［J］，中国计量，2010，（7）：108-110
［6］刘盾，电导率仪温度补偿器误差的检定［J］，计量技术，2004，（10）：35-36
［7］GB/T11007-2008《电导率仪试验方法》［S］，北京：中国标准出版社，2009

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刘彦刚

第1楼2012/12/19

应助达人

它山之石——ofooo ：“2、（2）溶液温度的测量解决的方法是用一支经检定过的精密水银温度计，测量溶液的温度即可”
存在一个问题，该方法一般比较适用于国外单点自校准（大部分带自动温度补偿功能）的仪器，但目前国内生产的大部分都是手动校准，而且根据规程，需要用两点校准取常数平均值，但是很难保证两个溶液都在同一个温度

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第2楼2012/12/19

应助达人

它山之石——ofooo ：“2、（2）溶液温度的测量解决的方法是用一支经检定过的精密水银温度计，测量溶液的温度即可”
存在一个问题，该方法一般比较适用于国外单点自校准（大部分带自动温度补偿功能）的仪器，但目前国内生产的大部分都是手动校准，而且根据规程，需要用两点校准取常数平均值，但是很难保证两个溶液都在同一个温度

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刘彦刚

第3楼2012/12/19

应助达人

它山之石——ofooo：个人认为，电导率的温度补偿，虽然该文提到三个，其实归结为两个，一个是补偿系数，一个是温度传感器（没有传感器的，才设置为温度调节钮，但其功能与传感器相同，传递一个温度信号给处理器，然后处理器根据接收到的温度值计算出补偿后的结果）
对于补偿系数，由于其只是个数值设置的问题，不涉及任何传感器，所以不涉及误差问题，规程表述有误。
所以现有规程检测的所谓的温度补偿系数误差，实质是由于温度传感器(温度调节钮)存在误差引起的。因此，规程存在的缺陷，不在于增加温度补偿器的检测，而只需要把温度补偿系数误差更改为温度补偿误差，当然相应的计算公式和指标也得修改。
由于温度调节钮线路内置，不可能拆开来检测其电阻值，从而检测其出差。在默认补偿系数不存在误差的前提下，可以从温度补偿结果推算出温度调节钮示值与理论值的差别。

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刘彦刚

第4楼2012/12/19

应助达人

非常感谢张博关注并及时回复我的贴子！我也很有同感，不能同意该文的观点。
应该说温度补偿功能（或按该文说的温度补偿器）就是由温度系数给定、温度测定（或给定）与实现Kt = K25℃[1+α(t-25)]的运算构成的。这点从Kt = K25℃[1+α(t-25)]该公式也可以看出，只要给出被测溶液的温度和温度系数，就可以将被测溶液当时的电导率，换算到（或称补偿到）25时的电导率。文中“ 电导率仪中跟温度有关的器件有三个部分，它们分别是温度系数、温度补偿器和温度传感器”，这样将温度补偿器割列出来，那么该温度补偿器的功能是什么，具体又是何物。
我看了一下文中表1给出的两种温度补偿对照表，隐约感觉到所谓不补偿法是对应温度补偿运算公式正确的电导率仪给出的；而补偿法是对应温度补偿运算公式错误的电导率仪给出的。即：在电极常数设为1的情况下，当设定温度补偿系数为2%时，给定标准电导为100微西，如25℃时示值为100微西/厘米，15℃时示值为125微西/厘米。按规程给出的正确计算公式为（100-125）/[125（15-25）]运算的情况；而补偿法对应的是对应温度补偿运算公式错误的电导率仪给出的。即：在电极常数设为1的情况下，当设定温度补偿系数为2%时，给定标准电导为100微西，如25℃时示值为100微西/厘米，15℃时示值为120微西/厘米。按错误的运算公式为（100-120）/[100（15-25）]运算的情况。